Propulsores a Plasma
Por: ccarlaa • 24/11/2022 • Artigo • 1.468 Palavras (6 Páginas) • 51 Visualizações
Análise de Parâmetros de Propulsores a Plasma Pulsado
Carla de Araújo Clementino Ribeiro Gabriela da Cunha Possa 2020
Resumo
O presente trabalho tem por objetivo analisar alguns parâmetros de desempenho de um Propulsor a Plasma Pulsado (Pulsed Plasma Thruster), com foco no impulso específico e no impulso bit, de forma que seja possível prever a performance de alguns propulsores em regime de baixa potência (0-10J).
Palavras-chave: PPT. Propulsão Elétrica. Propulsão a Plasma Pulsado. Propulsão a Plasma.
Abstract
The present work aims to analyze some performance parameters of a Pulsed Plasma Thruster, focusing on the specific impulse and the impulse bit, so that it is possible to predict the performance of some thrusters in low power regime (0-10J).
Keywords: PPT. Electric Propulsion. Pulsed Plasma Thruster. Plasma Propulsion.
Introdução
A propulsão elétrica consiste na aceleração de gases por meio de energia térmica ou forças elétricas e magnéticas, de forma a produzir um empuxo. Essa tem como foco o aumento do impulso específico, o qual consiste na razão entre o impulso gerado pela quantidade de propelente utilizado, e pode ser dividida em três tipos: eletrotérmica, na qual o propelente é aquecido eletricamente e então expandido por um bocal; eletrostática, em que o propelente é acelerado pela aplicação de força elétrica em partículas ionizadas; e a eletromagnética, que se baseia na aceleração de um propelente ionizado por meio
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da interação entre campos magnéticos internos e externos com correntes elétricas(JAHN, 1968).
Um propulsor a plasma pulsado (Pulsed Plasma Thruster) pode ser caracterizado como um propulsor eletromagnético e seu funcionamento se resume na aplicação de uma descarga de alta voltagem na superfície de um propelente, geralmente Teflon®, para que seja ablacionado, dissociado e ionizado. Dessa forma, o plasma formado é acelerado por meio da Força de Lorentz (F = J × B) e parte do propelente, o qual sofreu sublimação, é acelerado por expansão térmica, resultando em um empuxo.
Devido a sua confiabilidade, simplicidade de construção e precisão na realização de manobras, o PPT se tornou uma boa alternativa para a utilização em satélites, sendo o primeiro propulsor elétrico a ser utilizado no espaço, a bordo da espaçonave soviética Zond 2 em 1964. Além disso, sua baixa potência de funcionamento (abaixo de 300W ) o torna ideal para nanosatélites como os CubeSats, que geralmente possuem uma dimensão de 10cm × 10cm × 10cm e pesam aproximadamente 1, 33kg (POGHOSYAN, 2016).
Análise Teórica
Configuração
Os propulsores a plasma pulsado apresentam o mesmo princípio de funcionamento, o qual consiste na presença de dois eletrodos paralelamente posicionados e um capacitor carregado por uma alta voltagem, responsável por gerar um arco elétrico que irá ablacionar o propelente, sendo diferenciados basicamente por sua alimentação junto à disposição dos eletrodos. Alguns exemplos são: “T-tube”, Rectangular Breech-fed, Coaxial Side-fed, Coaxial Sed-fed, “Button Gun”, entre outros(GESSINI LUI T. C. HABL; FERREIRA, 2013).
Para o presente trabalho, foi escolhido como foco a configuração Coaxial “erosion” fed, que consiste em um eletrodo com formato cilíndrico e outro com formato anular separados por uma camada de Teflon®, como pode ser visto na Fig 2.1:
[pic 1]
Figura 2.1 – Configuração do PPT.
Essa escolha foi feita devido a baixa produção científica sobre o modelo em questão.
Área de Propelente Exposta
O plasma gerado a partir da descarga elétrica sofrida pelo propelente é acelerado pela Força de Lorentz e então expelido, gerando um impulso bit (impulso gerado por unidade de descarga). Esse foi relacionado, em 1968 por Guman, com o empuxo(T ) tomando e a frequência de pulsos(f ), considerada constante (GUMAN, 1976):
T = f × Ibit (1)
Sendo a potência(P )fornecida e fluxo mássico(m˙ ) descritos por:
P = f.E m˙ = m.f (2)
Onde E é a energia liberada pelo capacitor. Sendo assim, o impulso específico(Isp) pode ser escrito como:[pic 2][pic 3]
E o empuxo específico:
T m˙ .g
Ibit m.g
(3)
It = T[pic 4][pic 5]
Ibit E
(4)
Dessa forma a eficiência do propulsor é definida:
T 2 I2[pic 6]
[pic 7][pic 8]
ηt = 2m∗g = 2 bit
(5)
Portanto, a partir da análise dessas equações, Guman verificou a linearidade da relação entre o impulso bit (Ibit)com a energia de descarga (E)para diferentes tipos de alimentações (breech,side fed)(GESSINI, 2001)
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